L'immagine riassume uno dei punti importanti dell'articolo:che il fascio di elettroni semina l'automodulazione del fascio di protoni (la tempistica del treno di micro-grappoli è riproducibile da evento a evento) e che quando si ritarda la tempistica del fascio di elettroni, la tempistica della modulazione è ritardata della stessa quantità. Nella figura in basso, il fascio di elettroni è ritardato di 7 ps, così come i tempi del treno di micro-mazzi. Credito:AWAKE Collaborazione.
L'Advanced WAKEfield Experiment (AWAKE) è un grande esperimento condotto al CERN che studia l'accelerazione del wakefield del plasma. È il primo sforzo di ricerca in questo campo a utilizzare un gruppo di protoni relativistici come driver di wakefield di plasma per accelerare gli elettroni testimone ad alte energie.
L'uso di un mazzo di protoni ha numerosi vantaggi per gli esperimenti di accelerazione del plasma. In particolare, consente ai ricercatori di mantenere un ampio gradiente di accelerazione su lunghe distanze, senza dover dividere l'acceleratore in diverse sezioni.
La collaborazione AWAKE, il gruppo di ricercatori coinvolti nell'esperimento AWAKE, comprende più di 100 ingegneri e fisici provenienti da 23 diversi istituti in tutto il mondo. In un recente articolo pubblicato in Physical Review Letters , questo grande team di scienziati mostra che l'automodulazione di un mazzo di protoni può essere controllata seminando l'instabilità.
"I grappoli di protoni disponibili sono molto più lunghi della tipica lunghezza d'onda del plasma", ha detto a Phys.org Livio Verra, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio. "Per pilotare wakefield di grande ampiezza, ci affidiamo all'instabilità di automodulazione del grappolo nel plasma. Questo processo trasforma il lungo grappolo in un treno di micro-grappoli, distanziati dal periodo dei wakefield, che guidano i wakefield di grande ampiezza".
Per garantire che il processo di automodulazione del grappolo di protoni sia riproducibile e possa essere controllato con elevati livelli di precisione, l'instabilità del grappolo deve essere "seminata". Nei loro studi precedenti, i ricercatori hanno raggiunto questo obiettivo accendendo il plasma all'interno del mazzo di protoni utilizzando un impulso laser.
Nonostante i loro risultati promettenti, hanno scoperto che questo metodo presentava la significativa limitazione di modulare solo una frazione del mazzo di protoni.
"Nel nostro nuovo articolo, mostriamo che l'automodulazione può essere seminata utilizzando i wakefield guidati da un gruppo di elettroni precedente", ha spiegato Verra. "In questo caso, l'intero mazzo di protoni si automodula in modo controllato e riproducibile, questa è una pietra miliare importante per il futuro dell'esperimento."
Nel contesto degli acceleratori di wakefield al plasma azionati da protoni, il processo di automodulazione è essenzialmente un'instabilità, in cui l'ampiezza dei wakefield nel plasma cresce lungo il fascio di protoni e lungo il plasma. La crescita di questa automodulazione è determinata da due parametri chiave, vale a dire l'ampiezza dei campi di risveglio del seme, che definisce il valore iniziale dei campi, e il tasso di crescita, che definisce la velocità con cui cresce l'instabilità.
"Seminando l'automodulazione con il precedente gruppo di elettroni, districhiamo questi due parametri, con i quali altri metodi di semina sono sempre correlati", ha detto Verra. "Ciò significa che i parametri del mazzo di elettroni del seme definiscono l'ampiezza del campo di scia del seme e i parametri del mazzo di protoni definiscono il tasso di crescita dell'instabilità."
Utilizzando l'approccio presentato nel loro articolo, Verra ei suoi colleghi sono stati in grado di controllare in modo indipendente la crescita dell'automodulazione di un mazzo di protoni nell'acceleratore di particelle di plasma del CERN utilizzando due distinte "manopole". Questi sono essenzialmente i due parametri chiave che definiscono la crescita dell'automodulazione.
Il recente lavoro di questo team di ricercatori mostra che l'intero gruppo di protoni nel loro acceleratore di particelle di plasma si automodula in modo riproducibile. Questa scoperta cruciale potrebbe aprire la strada a un nuovo progetto sperimentale nell'accelerazione del campo di scia del plasma guidata da protoni, che si basa su due plasmi separati.
Uno di questi plasmi sarebbe specificamente coinvolto nel processo di automodulazione, mentre l'altro nell'accelerazione degli elettroni. Questi due plasmi saranno separati da una regione di gap, dove avviene l'iniezione del fascio di elettroni testimone.
"Dato che il secondo plasma sarà preformato, l'intero mazzo di protoni deve essere automodulato", ha detto Verra. "Moreover, showing the control of an instability is an important standalone physics result, that could be extended to other particular subjects in plasma physics."
Since the beginning of 2022, the AWAKE collaboration has been conducting several studies focusing on the seeding of the self-modulation instability in plasma using an electron bunch. Currently, they are specifically exploring their method's tolerances in terms of the spatial and timing alignment between beams.
"The questions we are trying to address are:how far from each another in transverse position can the electron and proton beams be injected, without destructive instabilities to occur?" Verra added. "And:how far ahead the electron bunch needs to be injected with respect to the proton bunch for seeding effectively? In 2023–2024, we are going to study the effect of a plasma density step on the self-modulation and on the amplitude of the wakefields, and afterwards we will modify the experiment to accommodate the second plasma for the acceleration experiment."
The team's ultimate goal will be that of delivering high-quality and high-energy electron bunches within particle physics experiments. Their next studies will take further steps in this direction. + Esplora ulteriormente
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